DACH - Jahrestagung 2004 Salzburg

ZfP in Forschung, Entwicklung und Anwendung

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Innovative Techniken in der Ultraschallprüfung zum Nutzen der Anwender

Johannes Büchler, Bernd Kirchner, Siegmar Schulz
GE Inspection Technologies
Kontakt: Dipl.-Ing. Johannes Büchler

1. Einleitung

Durch die konsequente Nutzung der neusten Hardware-Technologien und aktuellsten Software-Architekturen können dem Anwender Techniken zur Verfügung gestellt werden, die neue Möglichkeiten der Ultraschallprüfung zulassen. So werden beispielsweise für Applikationen im Bereich von Automobil, Luftfahrt oder Eisenbahn mehrkanalige Prüfgeräte mit hoher Prüfdichte mit anschließender Visualisierung der Messergebnisse gefordert.

2. Neuste Hardware-Technologien

Beispiele neuster Hardware-Technologieen sind:
  • Micro-Bauteile und Flex-Leiterplattentechnik
  • FPGAs (programmierbare Logikbausteine) mit größerer Komplexität und integrierten RAMs zur schnellen Abspeicherung von Daten
  • Steigerung der Abtastraten zur Digitalisierung von hochfrequenten Ultraschallsignalen
  • Leistungsfähigere Microcontroller und DSPs (Digitale Signalprozessoren)
  • Digitale Schnittstellen für hohe Datenraten

Auf dem Bauteilmarkt ist die Miniaturisierung weiter vorangeschritten und erlaubt es Micro-Bauteile, wie z.B. Widerstände oder Kondensatoren mit Bauteillängen von 1,2 mm zur Platzoptimierung einzusetzen. Außerdem ist zur besten Ausnutzung eines geringen Volumens die flexible Leiterplattentechnik weiterentwickelt worden, die nun auch viele Lagen bei geringer Leiterplattendicke zulassen.

Der Einsatz dieser Technologien kombiniert mit sehr stromsparenden Microcontrollern haben die Integration der Mess- und Auswerteelektronik einschließlich der Messwertanzeige und Batterie in den Ultraschallprüfkopf ermöglicht. So ist das kleinste Wanddickenmessgerät mit 80 Stunden Betriebszeit entstanden, s. Abbildung 1. Mit einem solchen Gerät ist auch eine Wanddickenmessauflösung von 1/100 mm möglich, sodass es für universelle Wanddickenmessaufgaben genutzt werden kann. Die Schnittstelle zum Prüfkopf ist so gestaltet, dass dieser durch den Anwender einfach getauscht werden kann. Die Drehung der Anzeige erlauben immer einen optimalen Ablesewinkel auch unter schwierigen Bedingungen, wobei die hohen Dichtigkeitsanforderungen von IP 67 erfüllt werden.

In den Prüfkopf kann man auch kleine Speicherbausteine integrieren, die die individuellen Prüfkopfdaten beinhalten, dies sind z.B. die Prüfkopffrequenz und Schwingergröße. Diese sogenannten Dialog-Prüfköpfe erleichtern dem Anwender die Einstellung des Ultraschallgerätes beispielsweise bei der Nutzung der AVG-Bewertung, da die Prüfkopf spezifischen Daten automatisch ausgelesen und zur Berechnung der AVG-Kurve benutzt werden.


Abb 1: Kleinstes, universelles Wanddickengerät mit 80 Stunden Betriebszeit

Die Steigerung der Komplexität und Verarbeitungsgeschwindigkeit von FPGAs und die Integration von großen RAM-Strukturen erlauben die Bearbeitung von zwei parallelen A-Bildern mit hoher Digitalisierung bei schneller Bildwiederholrate. Beispielsweise kann eine 0,5 mm Rückwandechofolge, die mit einem 35 MHz Prüfkopf gemessen worden ist, mit 400 MHz in Echtzeit digitalisiert werden und gleichzeitig als Übersichtsbild - großer Abbildungsbereich - oder Lupenbild - kleiner Abbildungsbereich - dargestellt werden, s. Abbildung 2.


Abb 2: Gleichzeitige Darstellung zweier A-Bilder aus dem gleichen Auswertetakt mit unterschiedlichen Justierbereichen

Ebenso kann durch die hohen Verarbeitungsgeschindigkeit der FPGAs und DSPs eine Datenverdichtung mit der Impulsfolgefrequenz des Ultraschallgerätes durchgeführt werden. Das Verdichtungsraster kann dann durch einen externen Wegimpulsgeber vorgegeben werden und ermöglicht somit eine ortsgetreue Datenrekonstruktion, wie sie für die Visualisierung von Messergebnissen erforderlich ist. Das Verdichtungsverfahren achtet dabei darauf, dass keine Fehlerechos und Messwerte verloren gehen und komprimiert auf Maxima. Anstelle des Wegrasters kann auch ein Zeitraster vorgegeben werden, s. Abbildung 3.


Abb 3: Datenverdichtung im Wegimpuls- oder Zeitraster

3. Neue Software-Technologien

Auch auf dem Gebiet der Software sind Methoden gefordert, die eine schnelle Anpassung an Anwenderforderungen ermöglichen und so ist mit der Plug-In- und Layer- Technik eine Voraussetzung geschaffen, modular übersichtliche Bedieneroberflächen von Geräten zu gestalten.

Als Basis hierfür sind zu nennen:

  • Visual Studio .NET (Entwicklungsumgebung für VB.NET, C#.NET, C++.NET von Microsoft)
  • Universal Application Framework (UAF) von GEIT
    • Plug-In- und Layer-Technik zur Strukturierung von Funktionsgruppen
    • Ermöglicht das Einbinden kundenseitig entwickelter Plug-Ins
    • Beinhaltet UNICODE, d.h. alle weltweiten Sprachen können unterstützt werden
  • Common Application Architecture (CAA) von GEIT
    • Beschreibt die Organisation und das Verhalten von Windows-Applikationen ohne auf deren fachlichen Inhalt einzugehen (z.B. aufteilbare Oberflächen, Einbindung von Plug-Ins unabhängig von der Funktionalität)
  • Nutzung des Kommunikationsprotokolls TCP/IP

Die Abbildung 4 zeigt die Möglichkeit der Strukturierung von Bedieneroberflächen unter Nutzung der oben angeführten Methoden, wobei ein Layer eine mögliche Bedienerebene darstellt, es können aber auch mehrere Layer für die Bedienung genutzt werden.

Aus unterschiedlichen Plug-Ins, die eine Funktionsgruppe darstellen, wird ein Layer aufgebaut. Der Vorteil der Plug-Ins besteht darin, dass es sich um in sich autarke Software-Module handelt, die individuell ausgetestet werden können und dass man diese Module in unterschiedlichen Geräten, die diese Architektur nutzen, wiederverwenden kann.

Ein solches Modul ist beispielsweise ein A-Bild-Plug-In zur Darstellung und Einstellung des A-Bildes. Es kann aber auch ein durch den Anwender entwickeltes Plug-In, das unter .NET erstellt worden ist, in die Bedieneroberfläche mit eingebunden werden. Dabei werden die Ultraschalldaten zwischen der Geräte- und Kundenapplikation über eine Softwareschnittstelle ausgetauscht.

Auf einem Layer fasst man nur die Funktionsgruppen zusammen, die für die Einstellung des Ultraschallgerätes und die Anwendungsapplikation benötigt wird. Somit können bei komplexen Geräten, die viele Bedienelemente enthalten, nur die benötigten anwählbar gemacht werden und führen so zu einer übersichtlicheren Bedieneroberfläche.


Abb 4: Strukturierung von Bedieneroberflächen

Ein weiteres Beispiel für ein Plug-In ist eine Funktionsgruppe, die die 3D-Abbildung eines Prüfstückes beinhaltet. Bei einer ortsgetreuen Aufzeichnung der A-Bild Daten kann zur Visualisierung das in Abbildung 5 gezeigte Volumenmodell erstellt werden und beliebig im Raum gedreht werden. So kann man dem Anwender Prüfergebnisse im Werkstück sehr anschaulich darstellen.


Abb 5: 3D-Darstellung eines Prüfstückes

Eine weitere Anwendung aktueller Technologien ist die Nutzung standardisierter Schnittstellen, wie z.B. Ethernet und TCP/IP Protokolle. Diese erlauben eine einfache Trennung zwischen einem Ultraschallgerät und dem dazugehörigen Bedien- und Auswerte-PC, der sich ggfs. auch in großer Entfernung befinden kann. Damit können flexibel Prüfarchitekturen für verschiedenste Anwendungen aufgebaut werden.

4. Zusammenfassung

Die Anwendung neuester Technologien in Ultraschallgeräten erlauben eine hohe Integration bei Erhöhung der Messsicherheit und Prüfgeschwindigkeit. Ausserdem kann durch die Umsetzung aktuellster Software-Architekturen eine durch den Kunden modular konfigurierbare Bedieneroberfläche gestaltet werden, die auch die Einbindung von Messergebnissen in 3D-Darstellung erlaubt.

STARTHerausgeber: DGfZPProgrammierung: NDT.net